WO2023286164A1 - 受光装置 - Google Patents
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Definitions
- a light receiving device wherein the condenser lens has a partially spherical convex surface formed on one side of the condenser lens, and the convex lens having a radius of curvature smaller than that of the convex surface. It is characterized by being a compound eye lens in which a surface is formed.
- the condenser lens is a compound eye lens having a plurality of convex lens surfaces arranged along the partially spherical convex surface. Since the optical axes of the plurality of convex lens surfaces arranged on the convex surface are inclined toward the semiconductor light receiving element, it is possible to make it easier for the light transmitted through the condensing lens to enter the semiconductor light receiving element.
- the coupling efficiency improves to 65%.
- the reflecting surface 7 can reflect and condense a part of the light transmitted through the condensing lens 2 and make it enter the semiconductor light receiving element 4 having a diameter smaller than that of the condensing lens 2 . Therefore, it is possible to improve the coupling efficiency when diffused light is incident.
- the condenser lens 2 having a plurality of convex lens surfaces 14 can be formed by processing a silicon substrate as the semiconductor substrate 10 with high precision. can be formed.
- Light receiving device 2 Condensing lens (compound eye lens) 3: lens holder 3a: mounting portion 3b: housing portion 4: semiconductor light receiving element 5: bases 5a and 5b: output terminal 6: light passage portion 7: reflecting surface 10: semiconductor substrate 11: first surface 11a: convex surface 12: Second surface 14 : Convex lens surface 21 : First resist film 22 : First resist mask 24 : Second resist mask 30 : Planoconvex lens 31 : Light receiving element 32 : Reflector C : Center line
Abstract
【課題】拡散光が入射する場合の結合効率を向上させた受光装置を提供すること。 【解決手段】集光レンズ(2)と、この集光レンズ(2)が装着されたレンズホルダ(3)と、半導体受光素子(4)と、この半導体受光素子(4)及びレンズホルダ(3)を固定する基台(5)を有し、集光レンズ(2)を透過した光がレンズホルダ(3)内の光通路部(6)を介して半導体受光素子(4)に入射する受光装置(1)において、集光レンズ(2)は、片面に複数の凸レンズ面(14)を備えた複眼レンズであり、レンズホルダ(3)は、集光レンズ(2)から半導体受光素子(4)に近づく程縮径する円錐台状に形成された光通路部(6)に臨む筒状の反射面(7)を有し、集光レンズ(2)を透過した光の一部が、反射面(7)で反射されて半導体受光素子(4)に入射するように構成した。
Description
本発明は、分光分析機器等の計測機器に装備される受光装置に関し、特に赤外光を受光する受光装置に関する。
従来から、分光分析等の計測機器には、例えば赤外光領域にある検体の吸収スペクトルを検知するための受光装置が利用されている。このような受光装置には、高精度の分析のために、微弱な光信号を検知することが要求されている。それ故、受光する面積を大きくして受光量を増加させると共に、信号雑音比の改善のために、ノイズの主な原因の１つである半導体受光素子の暗電流を抑制することが求められている。
暗電流は、受光装置に装備される半導体受光素子（フォトダイオード）の面積を小さくすることにより減少することが知られている。しかし、半導体受光素子の面積を小さくすると、光を受ける面積が小さくなるため、受光量が減少する。従って、受光量の増加と暗電流の抑制とは相反する関係にあり、両立が容易ではない。
そのため、例えば特許文献１のように、集光レンズによって受光素子に集光するように構成された受光ユニットが知られている。受光素子よりも広い面積で光を受ける集光レンズによって、集光レンズの光軸に平行に入射する光が集光されて受光素子に入射するので、集光レンズに入射する光のうち受光素子に入射する光の割合（結合効率）が向上する。
しかし、分光分析において、集光レンズが受ける光の大部分は検体で散乱された拡散光である。それ故、例えば図１１の光線追跡シミュレーション結果に示すように、集光レンズとして平凸レンズ３０に入射する拡散光の多くが迷光となって受光素子３１に入射させることができない。このときの結合効率(coupling efficiency)は２１％である。
一方、例えば特許文献２のように、様々な方向から入射する拡散光を円錐状の筒の内面で反射させる反射鏡が知られている。例えば図１２の光線追跡シミュレーション結果に示すように、円錐筒状の反射鏡３２を装備させて受光素子３１に入射させる場合には、反射鏡３２内に入射する光のうち受光素子３１に入射する光の割合（結合効率）は２０％である。
上記特許文献１，２では、結合効率が夫々２０％程度であり、結合効率向上の余地がある。そこで、例えば図１３のように、平凸レンズ３０と反射鏡３２を組み合わせて受光素子３１に入射させる場合について検討した結果、結合効率が４２％に向上した。しかし、結合効率は高い程好ましく、結合効率の一層の向上が要求されている。
本発明の目的は、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させた受光装置を提供することである。
請求項１の発明の受光装置は、集光レンズと、この集光レンズが装着されたレンズホルダと、半導体受光素子と、この半導体受光素子及び前記レンズホルダを固定する基台を有し、前記集光レンズを透過した光が前記レンズホルダ内の光通路部を介して前記半導体受光素子に入射する受光装置において、前記集光レンズは、片面に複数の凸レンズ面を備えた複眼レンズであり、前記レンズホルダは、前記集光レンズから前記半導体受光素子に近づく程径が小さくなる円錐台状に形成された前記光通路部に臨む筒状の反射面を有し、前記集光レンズを透過した光の一部が、前記反射面で反射されて前記半導体受光素子に入射するように構成したことを特徴としている。
上記構成によれば、受光装置において、複眼レンズである集光レンズを透過した光の一部が、レンズホルダ内の反射面で反射されながら円錐台状の光通路部を進行して半導体受光素子に入射する。集光レンズが複眼レンズなので、集光レンズ全体に様々な方向から入射する拡散光を複数の凸レンズ面によって集光することができる。そして、反射面は集光レンズを透過した光の一部を反射、集光して、集光レンズよりも径が小さい半導体受光素子に入射させることができる。それ故、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させることができる。
請求項２の発明の受光装置は、請求項１の発明において、前記集光レンズは、前記集光レンズの片面に形成された部分球面状の凸面に、前記凸面よりも小さい曲率半径の前記凸レンズ面が形成された複眼レンズであることを特徴としている。
上記構成によれば、集光レンズは、部分球面状の凸面に沿って配設された複数の凸レンズ面を有する複眼レンズである。凸面に配設された複数の凸レンズ面の光軸は、半導体受光素子に向かうように傾けられているので、集光レンズを透過した光を半導体受光素子に入射させ易くすることができる。
上記構成によれば、集光レンズは、部分球面状の凸面に沿って配設された複数の凸レンズ面を有する複眼レンズである。凸面に配設された複数の凸レンズ面の光軸は、半導体受光素子に向かうように傾けられているので、集光レンズを透過した光を半導体受光素子に入射させ易くすることができる。
請求項３の発明の受光装置は、請求項１の発明において、前記集光レンズは、前記集光レンズの中心を通る前記反射面の中心線から離隔する程、前記中心線と前記凸レンズ面の中心を通る光軸との交差角が大きくなるように形成された複眼レンズであることを特徴としている。
上記構成によれば、集光レンズは、複数の凸レンズ面を有する複眼レンズであり、集光レンズの中心を通る反射面の中心線から離隔する程、凸レンズ面の光軸がこの中心線に対して傾いている。これにより複数の凸レンズ面の光軸が半導体受光素子に向かうように傾けられ、集光レンズを透過した光を半導体受光素子に入射させ易くすることができる。
上記構成によれば、集光レンズは、複数の凸レンズ面を有する複眼レンズであり、集光レンズの中心を通る反射面の中心線から離隔する程、凸レンズ面の光軸がこの中心線に対して傾いている。これにより複数の凸レンズ面の光軸が半導体受光素子に向かうように傾けられ、集光レンズを透過した光を半導体受光素子に入射させ易くすることができる。
請求項４の発明の受光装置は、請求項１～３の何れか１項の発明において、前記集光レンズは複数の前記凸レンズ面がシリコン基板に一体的に形成された複眼レンズであり、前記半導体受光素子は赤外光を受光することを特徴としている。
上記構成によれば、高精度の加工に適したシリコン基板に複数の凸レンズ面を一体的に形成することによって集光レンズを形成することができ、シリコン基板を透過する赤外光領域の分光分析に適した受光装置を形成することができる。
上記構成によれば、高精度の加工に適したシリコン基板に複数の凸レンズ面を一体的に形成することによって集光レンズを形成することができ、シリコン基板を透過する赤外光領域の分光分析に適した受光装置を形成することができる。
本発明の受光装置によれば、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させることができる。
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
図１、図２に示すように、受光装置１は、集光レンズ２と、この集光レンズ２を支持するレンズホルダ３と、半導体受光素子４と、この半導体受光素子４及びレンズホルダ３を固定する基台５を有する。そして、矢印Iで示すように、例えば検体で散乱された拡散光が様々な方向から集光レンズ２に入射し、集光レンズ２を透過した光が半導体受光素子４に入射するように、受光装置１が構成されている。
半導体受光素子４は、半導体基板として例えばリン化インジウム（ＩｎＰ）基板と、光吸収層としてＩｎＧａＡｓ層を備えたフォトダイオードである。この半導体受光素子４は受光した赤外光を光電流に変換する。
基台５に固定された半導体受光素子４の不図示のアノード電極及びカソード電極は、対応する基台５の１対の出力端子５ａ，５ｂに例えば金属ワイヤによって接続されている。受光装置１は、集光レンズ２を透過して半導体受光素子４が受光した光を光電流に変換し、１対の出力端子５ａ，５ｂを介して外部に出力する。
レンズホルダ３は、集光レンズ２の装着部３ａと、半導体受光素子４の収容部３ｂと、これら装着部３ａと収容部３ｂを連通させる光通路部６を有する。このレンズホルダ３は、例えば樹脂成形によって外形が円形又は多角形の筒状に形成されている。また、集光レンズ２の外形は、円形でもよく多角形でもよい。
光通路部６は、装着部３ａに装着された集光レンズ２から収容部３ｂに収容された半導体受光素子４に近づく程径が小さくなる円錐台状に形成されている。そして、レンズホルダ３の光通路部６に臨む面に、例えば蒸着法によって金属反射膜（例えばＡｕ膜、Ｃｒ膜等）が形成されたことにより、円錐台状の光通路部６の側面を囲む筒状の反射面７が形成されている。この反射面７の中心線Ｃは、円錐台状の光通路部６の中心線と共通であり、中心線Ｃが集光レンズ２の中心を通るように集光レンズ２が装着部３ａに装着されている。
集光レンズ２は、その材料の半導体基板１０として例えばシリコン（Ｓｉ）基板の片面である第１面１１に部分球面状の複数の凸レンズ面１４が一体的に形成され、第１面１１の裏面である第２面１２が平坦に形成された複眼レンズである。この集光レンズ２は、平坦な第２面１２が光通路部６に臨むように、レンズホルダ３の装着部３ａに装着されている。集光レンズ２を形成する半導体基板１０は、例えば波長が１．２μｍ以上の赤外光を透過させることができ、屈折率は３．２よりも大きい。
集光レンズ２が装着されたレンズホルダ３は、基台５に固定された半導体受光素子４の中心を反射面７の中心線Ｃが通るように位置決めされ、基台５に例えば接着剤によって固定されている。この受光装置１に入射する拡散光について行った光線追跡シミュレーションの結果を図３に示す。
光線追跡シミュレーションでは、発散角（全角）が４０°の光を、集光レンズ２の第１面１１側に設定された複数の出射点Ｅから集光レンズ２に入射させる。これにより、集光レンズ２の全体に様々な方向から入射する拡散光が再現されている。集光レンズ２の各凸レンズ面１４は、直径が１００μｍ、曲率半径が９０μｍ、厚さが５０μｍの微小レンズとして設定されている。このような複数の微小レンズを、５０μｍの間隔を空けて並べることにより、集光レンズ２（複眼レンズ）が再現されている。
半導体受光素子４は、受光径が５００μｍに設定されている。反射面７の半導体受光素子４側の開口径は、半導体受光素子４の受光径と同等に設定されている。そして、反射面７を中心線Ｃに対してφ＝１８°傾けて集光レンズ２側の開口径を大きくし、集光レンズ２の複数の凸レンズ面１４が全て反射面７の内側に収まるように設定されている。このときの微小レンズと半導体受光素子４の間の距離は２．７ｍｍである。反射面７の中心線Ｃは、集光レンズ２の中心及び半導体受光素子４の中心を通る。
複数の出射点Ｅから出射されて集光レンズ２を透過した光の一部は、反射面７によって１回以上反射されながら半導体受光素子４に向かって光通路部６を進行し、半導体受光素子４に入射する。また、反射面７で１回も反射されずに半導体受光素子４に入射する光もある。
反射面７は、集光レンズ２側の開口径が大きいので、光の反射時に、中心線Ｃの方向における光の集光レンズ２側に向かう方向成分を増加させて半導体受光素子４側に向かう方向成分を減少させる作用（集光レンズ２側に戻す作用）を有する。そのため、図３では省略しているが、反射面７で複数回反射されて集光レンズ２側に戻り、半導体受光素子４に入射しない光もある。
光通路部６に入射した光（集光レンズ２を透過した光）のうち半導体受光素子４に入射する光の割合を結合効率（Coupling Efficiency）とした場合に、図３における結合効率は５７．５％である。一方、比較例として、例えば受光装置１の集光レンズ２を単一の凸レンズ面を備えた平凸レンズ３０にした場合（図１３参照）の結合効率は４２％である。また、受光装置１の集光レンズ２を除去した場合（図１２参照）の結合効率は２０％、受光装置１の反射面７を除去して集光レンズ２を平凸レンズ３０にしたの場合（図１１参照）の結合効率は２１％である。複眼レンズである集光レンズ２が入射する拡散光を集光し、光通路部６を中心線Ｃの方向に進行する光が増加するので、反射面７で複数回反射されて集光レンズ２側に戻る光が減少し、結合効率が向上している。
集光レンズ２の複数の凸レンズ面１４が、半導体受光素子４側（光通路部６の奥側）に向けて光を集光すれば、結合効率が一層向上すると考えられる。そこで、図３の微小レンズの光軸が半導体受光素子４に向かうように、微小レンズの光軸を例えば中心線Ｃと交差角θ＝３０°で交差するように傾けた場合の光線追跡シミュレーション結果を図４に示す。この場合、結合効率が６５％に向上する。
中心線Ｃと複数の微小レンズの光軸の交差角θを０°から３０°まで５°ずつ増加させたときの結合効率を上記比較例と共に図５に示している。比較例は、図１３の場合を四角形（□）、図１２の場合を三角形（△）、図１１の場合を菱形（◇）で表示している。
図５において、交差角θが増加することにより、結合効率は交差角θ＝０°の場合よりも大きくなっている。従って、集光レンズ２が、複数の凸レンズ面１４の光軸を反射面７の中心線Ｃと３０°以下の交差角θで交差するように夫々傾けた複眼レンズである場合には、結合効率の一層の向上を図ることができる。そして、複数の凸レンズ面１４の光軸の傾きが同じでなくても中心線Ｃと３０°以下の交差角θであれば、交差角θが０°の場合よりも結合効率が向上することが容易に理解される。
次に、複数の凸レンズ面１４の光軸を反射面７の中心線Ｃと交差するように夫々傾けた複眼レンズの形成について説明する。平坦面に光軸を傾けた複数の凸レンズ面１４を形成することは容易ではないので、凸状に形成した面に複数の凸レンズ面１４を形成する。
図６に示すように半導体基板１０の第１面１１の中央に、第１レジスト膜２１を平面視円形に且つこの円の中心を半導体基板１０の中心に一致させて形成する（第１レジスト膜形成工程）。次に、この半導体基板１０を例えば１５０℃程度に加熱して第１レジスト膜２１を溶融させることにより、図７のように溶融した第１レジスト膜２１の表面張力を利用して平凸レンズ状の第１レジストマスク２２が形成される（第１レジストマスク形成工程）。
次に図８に示すように、半導体基板１０の第１面１１側を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によって第１レジストマスク２２が無くなるまでエッチングする（凸面エッチング工程）。こうして半導体基板１０の第１面１１に、第１レジストマスク２２の形状が反映された凸面１１ａが形成される。尚、凸面１１ａの周りの平坦な面は、エッチングによって露出した半導体基板１０の第１面１１になる。
次に、第１レジストマスク２２の形成と同様の方法で、図９に示すように、凸レンズ状の複数の第２レジストマスク２４を形成する（第２レジストマスク形成工程）。具体的には、凸面１１ａ上に複数の凸レンズ面１４形成用の複数の第２レジスト膜を形成して加熱し、第２レジスト膜の溶融時の表面張力を利用して凸レンズ状の複数の第２レジストマスク２４を形成する。
次に、図示を省略するが、図８と同様に半導体基板１０の第１面１１側を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法によって複数の第２レジストマスク２４が無くなるまでエッチングする。こうして図１０のように凸面１１ａに、複数の第２レジストマスク２４の形状が反映された複数の凸レンズ面１４が形成される。尚、複数の凸レンズ面１４の周りはエッチングによって露出した凸面１１ａになり、この凸面１１ａの周りの平坦な面はエッチングによって露出した半導体基板１０の第１面１１になる。
上記のように、半導体基板１０の片面（第１面１１）に形成された部分球面状の凸面１１ａに、凸面１１ａよりも曲率半径が小さい部分球面状の複数の凸レンズ面１４が一体的に形成され、複眼レンズである集光レンズ２が形成される。凸面１１ａの円形の輪郭の中心は、集光レンズ２の中心に一致させている。個片状の半導体基板１０を用いて説明したが、ウェハ状の半導体基板１０に複数の複眼レンズを一括形成してから分割して個片化することもできる。
集光レンズ２の凸面１１ａに沿って複数の凸レンズ面１４が形成されたので、集光レンズ２の中心から離隔するほど、反射面７の中心線Ｃと凸レンズ面１４の中心を通る光軸との交差角θが大きくなる。例えば第１レジスト膜２１の粘性を調整することによって、凸面１１ａ曲率半径を調整し、複数の凸レンズ面１４の光軸の交差角θを調整することができる。一方、凸面１１ａの形成を省略して、上記と同様にして複数の凸レンズ面１４を平坦な第１面１１に一体的に形成することにより、複数の凸レンズ面１４の光軸が中心線Ｃと夫々平行な複眼レンズを形成することもできる（図３参照）。
上記受光装置１の作用、効果について説明する。
受光装置１において、複眼レンズである集光レンズ２を透過した光の一部が、レンズホルダ３内の反射面７で反射されながら円錐台状の光通路部６を進行して半導体受光素子４に入射する。集光レンズ２が複眼レンズなので、集光レンズ２全体に様々な方向から入射する拡散光を複数の凸レンズ面１４によって集光することができる。そして、反射面７は、集光レンズ２を透過した光の一部を反射、集光して、集光レンズ２よりも径が小さい半導体受光素子４に入射させることができる。それ故、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させることができる。
受光装置１において、複眼レンズである集光レンズ２を透過した光の一部が、レンズホルダ３内の反射面７で反射されながら円錐台状の光通路部６を進行して半導体受光素子４に入射する。集光レンズ２が複眼レンズなので、集光レンズ２全体に様々な方向から入射する拡散光を複数の凸レンズ面１４によって集光することができる。そして、反射面７は、集光レンズ２を透過した光の一部を反射、集光して、集光レンズ２よりも径が小さい半導体受光素子４に入射させることができる。それ故、拡散光が入射する場合の結合効率を向上させることができる。
集光レンズ２は、部分球面状の凸面１１ａに沿って配設された複数の凸レンズ面１４を有する複眼レンズである。凸面１１ａに配設された複数の凸レンズ面１４の光軸は、半導体受光素子４に向かうように傾けられているので、集光レンズ２を透過した光を半導体受光素子４に入射させ易くすることができる。
集光レンズ２は、複数の凸レンズ面１４を有する複眼レンズであり、集光レンズ２の中心を通る反射面７の中心線Ｃから離隔する程、凸レンズ面１４の光軸が中心線Ｃに対して大きく傾いている。これにより複数の凸レンズ面１４の光軸が半導体受光素子４に向かうように傾けられているので、集光レンズ２を透過した光を半導体受光素子４に入射させ易くすることができる。
複数の凸レンズ面１４を有する集光レンズ２は、半導体基板１０としてシリコン基板を高精度に加工して形成することができ、シリコン基板を透過する赤外光を用いる分光分析に適した受光装置１を形成することができる。
集光レンズ２は、例えば光学樹脂材料によって形成された複眼レンズであってもよく、この複眼レンズを透過する光に応じた半導体受光素子４を搭載した受光装置１を形成することもできる。また、複数の凸レンズ面１４の数量及びサイズ、凸面１１ａのサイズ、反射面７のサイズ及び傾斜角φ、半導体受光素子４のサイズ等は、受光装置１に要求される性能等に基づいて適宜設定することが可能である。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態も包含するものである。
１ ：受光装置
２ ：集光レンズ（複眼レンズ）
３ ：レンズホルダ
３ａ ：装着部
３ｂ ：収容部
４ ：半導体受光素子
５ ：基台
５ａ，５ｂ：出力端子
６ ：光通路部
７ ：反射面
１０ ：半導体基板
１１ ：第１面
１１ａ：凸面
１２ ：第２面
１４ ：凸レンズ面
２１ ：第１レジスト膜
２２ ：第１レジストマスク
２４ ：第２レジストマスク
３０ ：平凸レンズ
３１ ：受光素子
３２ ：反射鏡
Ｃ ：中心線
２ ：集光レンズ（複眼レンズ）
３ ：レンズホルダ
３ａ ：装着部
３ｂ ：収容部
４ ：半導体受光素子
５ ：基台
５ａ，５ｂ：出力端子
６ ：光通路部
７ ：反射面
１０ ：半導体基板
１１ ：第１面
１１ａ：凸面
１２ ：第２面
１４ ：凸レンズ面
２１ ：第１レジスト膜
２２ ：第１レジストマスク
２４ ：第２レジストマスク
３０ ：平凸レンズ
３１ ：受光素子
３２ ：反射鏡
Ｃ ：中心線
Claims (4)
- 集光レンズと、この集光レンズが装着されたレンズホルダと、半導体受光素子と、この半導体受光素子及び前記レンズホルダを固定する基台を有し、前記集光レンズを透過した光が前記レンズホルダ内の光通路部を介して前記半導体受光素子に入射する受光装置において、
前記集光レンズは、片面に複数の凸レンズ面を備えた複眼レンズであり、
前記レンズホルダは、前記集光レンズから前記半導体受光素子に近づく程径が小さくなる円錐台状に形成された前記光通路部に臨む筒状の反射面を有し、
前記集光レンズを透過した光の一部が、前記反射面で反射されて前記半導体受光素子に入射するように構成したことを特徴とする受光装置。 - 前記集光レンズは、前記集光レンズの片面に形成された部分球面状の凸面に、前記凸面よりも小さい曲率半径の前記凸レンズ面が形成された複眼レンズであることを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
- 前記集光レンズは、前記集光レンズの中心を通る前記反射面の中心線から離隔する程、前記中心線と前記凸レンズ面の中心を通る光軸との交差角が大きくなるように形成された複眼レンズであることを特徴とする請求項１に記載の受光装置。
- 前記集光レンズは複数の前記凸レンズ面がシリコン基板に一体的に形成された複眼レンズであり、前記半導体受光素子は赤外光を受光することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の受光装置。
Priority Applications (3)
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